Лекции 140400

Лекция 1 - 140400

Описанный способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами. Но бывают случаи, когда выгодней действовать по-иному.

Издавна используется довольно компактный способ представления музыки – нотная запись. В ней специальными символами указывается, какой высоты звук, на каком инструменте и как сыграть. Фактически, ее можно считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. В 1983 ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI.

Существуют и другие, чисто компьютерные, форматы записи музыки. Среди них следует отметить формат MP3, позволяющий с очень большим качеством и степенью сжатия кодировать музыку. При этом вместо 18-20 музыкальных композиций на стандартный компакт-диск (CD-ROM) помещается около 200. Одна песня занимает примерно 3,5 Mb, что позволяет пользователям сети Интернет легко обмениваться музыкальными композициями.

7.ИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

7.1Информационный ресурс

Внастоящее время говорить о науке вне информационного процесса бессмысленно. Научная идея должна превратиться в информацию, т.е. должна быть закодирована, передана по каналу связи, принята адресатом и применена на практике. Таким образом, знания должны определенным образом фиксироваться, перерабатываться, передаваться распределяться и приниматься.

Информационные ресурсы (ИР)— это идеи человечества и указания по их реализации, накопленные в форме, позволяющей их воспроизводство.

Это книги, статьи, патенты, диссертации, научно-исследовательская и опытно-конструкторская документация, технические переводы, данные о передовом производственном опыте и др.

Предметом информатики является информационный ресурс - его сущность, законы функционирования, механизмы взаимодействия с другими ресурсами общества и воздействия на социальный прогресс.

Информационные ресурсы (в отличие от всех других видов ресурсов — трудовых, энергетических, минеральных и т.д.) тем быстрее растут, чем больше их расходуют.

Впроцессе применения информационные ресурсы постоянно развиваются и совершенствуются, избавляясь от ошибок и уточняя свои параметры.

Выделяют пассивную и активную формы информационных ресурсов. Пассивная форма: книги, журнальные статьи, патенты, банки данных и

т.п.

Активная форма: модель, алгоритм, проект, программа и т.п.

11

Лекция 1 - 140400

7.2 Информационные технологии.

Информационная технология (ИТ)— это совокупность методов и устройств, используемых людьми для обработки информации.

Внастоящее время термин информационная технология употребляется

всвязи с использованием компьютеров для обработки информации. Информационные технологии охватывают всю вычислительную технику и технику связи и, отчасти, — бытовую электронику, телевидение и радиовещание.

Они находят применение в промышленности, торговле, управлении, банковской системе, образовании, здравоохранении, медицине и науке, транспорте и связи, сельском хозяйстве, системе социального обеспечения, служат подспорьем людям различных профессий и домохозяйкам.

ИТ выступили новым средством превращения научных знаний в информационный ресурс (ИР).

Совершенствование информационных технологий представляет самую важную, хотя дорогостоящую и трудную задачу.

Выделяют несколько поколений информационных технологий: - самую древнюю — «наскально-берестяную»;

- «бумажную», связанную с изобретением печатного станка (середина

XV века);

- «безбумажную», или «электронную», относящуюся к появлениюм ЭВМ (середина XX века);

- «новую информационную технологию», связанную с внедрением персональных ЭВМ и телекоммуникационных средств (с середины 80-

х годов прошлого века).

Телекоммуникации — дистанционная передача данных на базе компьютерных сетей и современных технических средств связи.

В настоящее время создание крупномасштабных информационнотехнологических систем является экономически возможным, и это обусловливает появление национальных исследовательских и образовательных программ, призванных стимулировать их разработку.

12

Лекция 2 - 140400

Лекция 2 АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРА

1Принципы построения компьютера;

2Классическая архитектура ЭВМ;

3Система команд ЭВМ;

4Архитектура системы команд CISC и RISC;

5Виды архитектур ЭВМ

1 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРА

Со времени появления в 40-х годах XX века первых электронных цифровых вычислительных машин технология их производства была значительно усовершенствована, существенно улучшились их характеристики, значительно снизилась стоимость. Однако, несмотря на успехи, достигнутые в области технологии, существенных изменений в базовой структуре и принципах работы вычислительных машин не произошло. Так, в основу построения подавляющего большинства современных компьютеров положены общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, сформулированные еще в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

1.1Принцип двоичного кодирования.

Вкомпьютерах используется двоичная система счисления, которая основана на двух цифрах,«0» и «1». Информация любого типа может быть закодирована с использованием двух цифр и помещена в оперативную или постоянную память компьютера. Впервые принцип двоичного счисления был сформулирован в 17 веке немецким математиком Готфридом Лейбницем.

Использование в ЭВМ двоичных кодов продиктовано в первую очередь спецификой электронных схем, применяемых для передачи, хранения и преобразования информации. В этом случае конструкция ЭВМ предельно упрощается, и ЭВМ работает наиболее надежно (устойчиво).

1.2Принцип однородности памяти.

Революционной идеей является предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые, ею числа. Все слова, представляющие числа, команды и прочие объекты, выглядят в ЭВМ совершенно одинаково, и сами по себе неразличимы. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей. Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе

13

Лекция 2 - 140400

основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

1.3 Принцип адресности.

Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Чтобы записать слово в память, необходимо указать адрес ячейки, отведенной для хранения соответствующей величины. Чтобы выбрать слово из памяти (прочитать его), следует опять же указать адрес ячейки памяти. То есть адрес ячейки, в которой хранится величина или команда, становится машинным идентификатором (именем) величины и команды.

Таким образом, единственным средством для обозначения величин и команд в ЭВМ являются адреса, присваиваемые величинам и командам в процессе составления программы вычислений. При этом выборка (чтение) слова из памяти не разрушает информацию, хранимую в ячейке. Это позволяет любое слово, записанное однажды, читать какое угодно число раз, т. е. из памяти выбираются не слова, а копии слов.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

1.4 Принцип программного управления.

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд.

Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемой программой.

Первой выполняется команда, заданная пусковым адресом программы. Обычно это адрес первой команды программы. Адрес следующей команды однозначно определяется в процессе выполнения текущей команды и может быть либо адресом следующей по порядку команды, либо адресом любой другой команды. Процесс вычислений продолжается до тех пор, пока не будет выполнена команда, предписывающая прекращение вычислений.

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фоннеймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без "счетчика команд", указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-

неймановскими.

14

Лекция 2 - 140400

2 АРХИТЕКТУРА ЭВМ

2.1 Классическая архитектура ЭВМ

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти, т. е. все то, что однозначно определяет процесс обработки информации на данной ЭВМ.

Принципы построения ЭВМ предполагают, что компьютер должен иметь следующие устройства:

-арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;

-устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программы;

-запоминающее устройство (ЗУ), или память для хранения программ и данных;

-внешние устройства для ввода (устройства ввода) и вывода

(устройства вывода) информации.

Все современные компьютеры обладают некоторыми общими и индивидуальными архитектурными свойствами. Индивидуальные свойства присущи только конкретной модели компьютера. Общие архитектурные свойства, наоборот, присущи некоторой, часто довольно большой группе компьютеров.

В настоящее время наибольшее распространение получили два типа архитектуры ЭВМ: принстонская (или фон Неймана по имени ученого фон Неймана.) и гарвардская. Обе они выделяют два основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

Обобщенная структурная схема ЭВМ представлена на рисунке.

Запоминающее устройство у современных компьютеров «многоярусно».

Устройство управления (УУ) — формирует и подает во все блоки машины, в нужные моменты времени, управляющие импульсы, обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций;

15

Лекция 2 - 140400

формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство (АЛУ) в

современных компьютерах объединены в один блок — процессор, предназначенный для обработки данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций и программного управления работой устройств компьютера.

Процессор, построенный на одной или нескольких больших интегральных микросхемах, называют микропроцессором.

Для ускорения выполнения арифметических операций с плавающей точкой к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор.

Синхронизация процессов передачи информационных и управляющих сигналов осуществляется при помощи тактовых импульсов, вырабатываемых

генератором тактовых импульсов (ГТИ).

Для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ЦП, имеется процессорная память (ПП), состоящая из специализированных ячеек памяти, называемых

регистрами.

Регистр - совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления и выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Регистр характеризуется единственным числом: количеством битов, которые могут в нем храниться.

Помещенная в регистр информация остается там до тех пор, пока она не будет заменена другой.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия.

Устройства ввода обеспечивают считывание информации с определенных носителей информации, и ее представление в форме электрических сигналов, воспринимаемых другими устройствами ЭВМ.

Устройства вывода представляют собой результаты обработки информации в форме, удобной для визуального восприятия. При необходимости они обеспечивают запоминание результатов на носителях, с которых эти результаты могут быть снова введены в ЭВМ для дальнейшей обработки, или передачу результатов на исполнительные органы управляемого объекта.

2.2 Виды архитектур ЭВМ Классификация по Флинну

ОКОД - Вычислительная система с одиночным потоком команд и

16

Лекция 2 - 140400

одиночным потоком данных (SISD, Single Instruction stream over a Single Data stream).

ОКМД - Вычислительная система с одиночным потоком команд и множественным потоком данных (SIMD, Single Instruction, Multiple Data).

МКОД - Вычислительная система со множественным потоком команд и одиночным потоком данных (MISD, Multiple Instruction Single Data).

МКМД - Вычислительная система со множественным потоком команд и множественным потоком данных (MIMD, Multiple Instruction Multiple Data).

По признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:

-по разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 86разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);

-по количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные.

2.2.1Однопроцессорная архитектура

SISD-компьютеры это обычные, «традиционные» последовательные компьютеры, в которых в каждый момент времени выполняется лишь одна операция над одним элементом данных. Большинство персональных ЭВМ до последнего времени попадает именно в эту категорию. Относится к фонНеймановской (принстонской) архитектуре.

2.2.2 Многопроцессорная архитектура

Архитектура многопроцессорной обработки MIMD является подходящей для большого числа разнообразных задач, в которых реализовано полностью независимое и параллельное выполнение команд, касающихся различных наборов данных. По этой причине и потому что это просто осуществить, MIMD преобладает в многопроцессорной обработке.

Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

2.2.3Архитектура с параллельными процессорами.

Вкомпьютере с одиночным потоком команд и множественным потоком данных один процессор обрабатывает поток команд, каждая из которых может выполнить параллельные вычисления на множестве данных.

Многопроцессорная обработка SIMD хорошо подходит для параллельной или векторной обработки, в которой большой набор данных может быть разделён на части, которые обрабатываются идентичными, но независимыми операциями. Одиночный поток команд направляет операцию модулей мультипрограммирования для выполнения однотипных манипуляций одновременно на потенциально большом количестве данных.

17

Лекция 2 - 140400

Однако недостаток этой архитектуры состоит в том, что большая часть системы начинает простаивать при выполнении программ или системных задач, которые не могут быть разделены на модули (подзадачи), которые могут быть обработаны параллельно.

2.2.4 Многопроцессорная обработка MISD

Многопроцессорная обработка с множественным потоком команд и одиночным потоком данных тип архитектуры, где несколько функциональных модулей выполняют различные операции над одними данными. К этому типу относят конвейерную архитектуру. Архитектура MISD позволяет сравнивать результаты вычислений в целях обнаружения отказов. Кроме избыточности и отказоустойчивости у этого типа многопроцессорной обработки немного преимуществ. К тому же он весьма дорог. Он не увеличивает производительность.

Было создано немного ЭВМ с MISD-архитектурой. 2.2.5 Многомашинная вычислительная система.

Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться, на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

2.2.6 Принцип открытой архитектуры.

Открытая архитектура - возможность свободно выбирать состав внешних устройств для компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем: регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.

Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями. Для того чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс.

18

Лекция 2 - 140400

Интерфейс (англ. interface от inter — между, и face — лицо) — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.

3 СИСТЕМА КОМАНД ЭВМ

Команда — это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.

Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде.

В общем случае, команда содержит следующую информацию:

-код выполняемой операции;

-указания по определению операндов (или их адресов);

-указания по размещению получаемого результата;

-адрес следующей команды.

Команда ЭВМ обычно состоит из двух частей - операционной и адресной. Операционная часть (иначе она еще называется кодом операции - КОП) указывает, какое действие необходимо выполнить с информацией. Адресная часть описывает, где используемая информация хранится. У нескольких немногочисленных команд управления работой машины адресная часть может отсутствовать, операционная часть имеется всегда.

3.1 Порядок выполнения команды Рабочий цикл в общем виде одинаков для всех фон-неймановских машин:

-из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды;

-выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;

-устройство управления расшифровывает адресное поле команды;

-по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;

-УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;

-результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;

-все предыдущие этапы повторяются до достижения команды "стоп".

После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.

19

Лекция 2 - 140400

3.2 Архитектура системы команд CISC и RISC

Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC.

CISC (Complete Instruction Set Computer) — компьютер с полным набором команд.

Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистрпамять.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) — компьютер с сокращённым набором команд.

Это концепция проектирования процессоров, которая во главу ставит следующий принцип: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее. Простая архитектура позволяет удешевить процессор, поднять тактовую частоту, а также распараллелить исполнение команд между несколькими блоками исполнения. Многие ранние RISC-процессоры даже не имели команд умножения и деления.

Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт).

Для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.

4.СТРУКТУРА ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

Персональный компьютер или персональная ЭВМ (ПЭВМ) — электронная вычислительная машина, с которой может работать пользователь, не являющийся профессиональным программистом, основное достоинство которой - принцип открытой архитектуры.

Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

-системный блок, в котором размещаются устройства обработки и хранения информации;

-монитор - устройство отображения информации;

-клавиатуру — основное устройство ввода информации в ПК;

-мышь – манипулятор, упрощающий взаимодействия пользователя с ПК.

4.1Системный блок

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого

20